粉煤灰改性环氧沥青胶浆性能增强试验研究

周嘉博

（广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

环氧沥青混凝土是一种具备优异性能的钢桥面铺装材料，具有强度高、抗疲劳、结构层间粘结效果好、抗燃料侵蚀性强等特点，较多应用于大跨径钢桥桥面铺装，但钢桥面板结构的结构特点及日益增长的重载交通对环氧沥青混凝土的变形，抗疲劳性能提出更高的要求，上述性能有待进一步提高[1]。沥青混合料中的沥青胶浆由填料和基质沥青构成，其强度是沥青混合料性能的基础[2]，填料则是形成沥青胶浆强度，保证混合料中各组分粘结的重要因素[3]。环氧沥青混凝土同样是由环氧沥青胶浆和集料构成的复合材料体系，通过掺加改性填料的途径研究增强环氧沥青混凝土强度和抗疲劳耐久性具备一定的可行性。

目前关于利用填料进行沥青混合料性能改善已开展了大量研究，用于改性的填料包括水泥、石灰、粉煤灰、硅藻土、各类纤维材料等。此类研究的结果显示相比传统的石灰岩矿粉，改性填料的加入可提升沥青混合料的性能。田耀刚等改进水煮法、光电比色法和表面能法研究了水泥、粉煤灰以及水泥混凝土再生粉等体积取代矿粉对沥青胶浆/集料黏附性能的影响，试验结果表明几种填料对沥青胶浆的粘附性有不同程度的改性作用[4]。邹桂莲等采用流变学方法定量研究填料对沥青胶浆性能的影响，所用填料包括矿粉、水泥和纤维.结果表明：填料能够明显提高沥青胶浆的高温性能及抗疲劳因子，但不同填料的影响程度不同[5]。覃潇等通过改变玄武岩纤维规格与掺量，研究了玄武岩纤维沥青胶浆抗剪性能、抗裂性能及高温流变性能的变化规律，并借助扫描电镜（SEM）对进行机理性分析分析。试验结果表明：玄武岩纤维的掺加大幅提高沥青胶浆的拉伸强度和高温流变特性，且纤维在胶浆中形成的微观结构可对混合料稳定性起增强作用[6]。目前关于利用填料对环氧沥青材料进行改性的研究较少。

1 材料与试验方案

1.1 环氧沥青

采用的环氧树脂主剂及固化剂性能如表1 所示，主剂及固化剂的配比为56:44，采用的沥青为道路石油沥青A-70 基质沥青，性能指标如表2 所示，环氧沥青的配比为混合料树脂:沥青=1:1。

表1 环氧树脂主剂及固化剂性能指标

表2 A-70 基质沥青检测结果

1.2 填料

选用石灰石矿粉、Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰三种填料制备环氧沥青混合料。石灰石矿粉是沥青路面建设的常用填料。粉煤灰是燃煤电厂燃烧发电的副产品，对其进行资源化利用，在有效降低建设成本的同时，可缓解粉煤灰对生态环境的危害。

1.3 环氧沥青胶浆

1.3.1 环氧沥青胶浆制备

为保证填料的拌合均匀，同时探究粉胶比的影响，通过制备粉胶比为 0.1、0.2、0.3、0.4 的环氧沥青胶浆试件，进行相应的性能试验研究。先将基质沥青及环氧树脂主剂、固化剂分别在160℃及60℃烘箱中预热保温，同时将填料在180℃烘箱中放置至少4h。首先在烧杯中称取适量基质沥青并置于160℃的油浴环境，并用高速剪切搅拌机进行搅拌；将环氧树脂主剂与固化剂按56:44 的质量比在烧杯中混合，用玻璃棒搅拌3min，再利用搅拌机机将混合树脂与基质沥青按质量1:1 的比例混合搅拌3min，最后把填料加入环氧沥青中搅拌均匀。将混合物胶浆浇模成型试件，先置于160℃烘箱保温30min，然后在60℃烘箱中养生4d 后进行胶浆性能测试试验。

1.3.2 环氧沥青胶浆性能试验

拉伸试验可测试环氧沥青胶浆的强度和变形能力。环氧沥青胶浆拉伸试验依据ASTMD638 试验规程进行，试验温度为23℃，加载速率为500mm/min，利用万能材料试验机进行试验，并通过计算得出环氧沥青胶浆的拉伸强度和断裂延伸率。

根据规范ASTM D7175，采用动态剪切流变试验对环氧沥青胶浆的流变性能进行测试，利用复数剪切模量（G*）和相位角（δ）评价环氧沥青胶浆在特定温度下的粘弹性能。由于环氧沥青胶浆的粘度较高，无法利用常规沥青胶浆膜状试件进行测试，需将胶浆制成小梁试件，将环氧沥青胶浆浇入10mm×10mm×50mm 的模具中成型相应尺寸的小梁试件。钢桥面铺装实际使用时夏季高温铺装层表面温度可达60℃左右，频率扫描所采用的试验温度为60℃；试验频率范围选择0.1～10Hz，可较好地模拟路面实际使用受力情况。试验采用应变控制模式，应变水平为0.1%。

2 结果与讨论

环氧沥青胶浆的性能在拉伸和动态剪切流变试验中表现如下。

2.1 拉伸试验

拉伸试验用于评价填料对环氧沥青胶浆的增强作用，填料与环氧沥青的结合效果越好，胶浆的拉伸强度越高。拉伸试验结果如图1 所示。结果显示随着粉胶比增大，胶浆抗拉强度上升，断裂延伸率下降。当粉胶比为0.4 时，Ⅰ级粉煤灰胶浆的拉伸强度相比环氧沥青提高了48.1%，Ⅱ级粉煤灰胶浆提高了26.1%，石灰石矿粉提高了12.2%；断裂延伸率则依次降低了65.5%、56.4%、20.9%。即增强效果显著程度顺序为Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰、矿粉，胶浆强度的变化趋势与上述顺序相同。

图1 环氧沥青胶浆拉伸试验结果

2.2 动态剪切流变试验

环氧沥青胶浆动态剪切流变试验结果中，G*为最大剪应力（τmax）和最大剪应变（γmax）的比值，δ 为施加的应力和产生应变的时间滞后。当δ 为0 时，反应材料为弹性；当δ 接近90°时，材料为粘性。沥青材料一般应具有较高的G*值和较低的δ 值。DSR 试验结果见图2，显示不同填料对环氧沥青胶浆流变性能的增强效果具有一定差异，加入填料可以使材料的G*显著提高，同时材料的δ 有所下降。环氧沥青胶浆G*的大小顺序为Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰、石灰岩矿粉；δ 的大小顺序为石灰岩矿粉、Ⅱ级粉煤灰、Ⅰ级粉煤灰，呈现出的增强规律与拉伸试验结果顺序基本一致。且随着粉胶比增大，各曲线的间距变大，即掺加不同填料的环氧沥青胶浆的性能差距变大。

图2 环氧沥青胶浆DSR 试验结果

3 结语

为了提高铺装材料的抗疲劳耐久性，通过性能试验评价粉煤灰对环氧沥青沥青混合料的改性作用，本文开展了系统试验研究。针对颗粒填料用量及特性对环氧沥青胶浆力学性能影响，主要结论如下。

（1）填料可有效提高环氧沥青胶浆的拉伸强度，同时也会降低环氧沥青胶浆的断裂延伸率，作用效果与填料的用量成正相关。

（2）填料对环氧沥青胶浆的流变性能有一定的增强效果，且随粉胶比的增大，增强效果约明显。

（3）对环氧沥青胶浆增韧改性效果呈现出Ⅰ级粉煤灰＞Ⅱ级粉煤灰＞矿粉的规律。

对于粉煤灰在环氧沥青混凝土中的应用开展试验研究，仍可从以下方面进行深入的探索：粉煤灰作为改性剂按较少的剂量掺入环氧沥青混合料中的效果；探求填料微观作用机理进行量化分析的手段，完善对应的机理性分析；开展粉煤灰改性增强环氧沥青混合料的工程试用研究，评价增强环氧沥青钢桥面铺装实际工程性能表现等。